ДонНТУ

Портал магистров ДонНТУ

Ханин Алексей Владимирович Факультет: «Электротехнический» Кафедра: «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Специальность: «Электромеханические системы автоматизации и электропривод» Исследование систем управления асинхронным двигателем с несимметричным каскадным многоуровневым преобразователем частоты. Научный руководитель:  к.т.н., доц. Шавёлкин Александр Алексеевич

Реферат по теме магистерской работы

Содержание

1. Введение

2. Принцип работы несимметричного каскадного многоуровневого преобразователя частоты (НКМПЧ)

3. Разомкнутые системы управления асинхронным двигателем (АД) при питании его от НКМПЧ

4. Замкнутые системы векторного управления асинхронным двигателем

5. Выводы

6. Список использованной литературы

Введение

Достижения в области развития полупроводниковой и компьютерной техники создали основу для широкого использования управляемых электроприводов. Наиболее распространенными из них все еще остаются электропривода на базе двигателей постоянного тока, однако в последние десятилетия все чаще отдают предпочтения частотно-управляемым электроприводам переменного тока. Также все больший приоритет получает вопрос энергосбережения. Это связанно с ограниченностью всех основных энергоресурсов планеты, и сложностью их получения.

В наше время в электроприводах переменного тока на среднее напряжение (6-10 кВ) все большее применение находят так называемые многоуровневые преобразователи частоты (МПЧ) [1]. Развитие многоуровневых технологий связано с возрастающими требованиями по одновременному увеличению мощности и снижению потерь преобразовательной техники. МПЧ обеспечивают максимальную электромагнитную совместимость с питающей сетью и нагрузкой. При этом существующие решения МПЧ характеризуются значительной сложностью силовых и информационных цепей.

Более простые схемы МПЧ на базе трёхуровневых автономных инверторов напряжения (АИН) не обеспечивают необходимых показателей качества входного тока и выходного напряжения и используются вместе с фильтрами [7,6].

Улучшение показателей качества при упрощении силовых и информационных цепей МПЧ достигается при использовании так называемых несимметричных каскадных МПЧ (НКМПЧ) с разными уровнями напряжения АИН в звеньях постоянного тока. При питании асинхронного двигателя от таких преобразователей частоты уменьшаются потери в стали, и увеличивается КПД двигателя особенно это заметно в АД большой мощности. Кроме этого МПЧ обладают также следующими преимуществами: уменьшение напряжений ключей схемы преобразователя, уменьшение и, как следствие, исключение входных фильтров.

Поэтому разработка принципов адаптации таких НКМПЧ в современные системы регулирования скорости АД является актуальной задачей.

Целью работы является адаптация НКМПЧ с различными кратностями напряжений АИН в современные системы регулирования скорости асинхронным двигателем.

2. Принцип работы несимметричного каскадного многоуровневого преобразователя частоты (НКМПЧ)

На рисунке 1 изображена упрощенная (без входных цепей) структурная схема несимметричного каскадного многоуровневого АИН (МАИН).

Рисунок 1 – Упрощенная схема многоуровневого АИН с тремя инверторами на фазу

Как видим из рис. 1 многоуровневый инвертор представляет собой три, последовательно подключенных, двухфазных АИН (ячеек) в каждой фазе. Это позволяет наращивать мощность преобразователя за счет увеличения его выходного напряжения, а не тока [1].

Принцип асимметрии таких МАИН заключается в использовании разных, кратных минимальному уровню, напряжений в звеньях постоянного тока каждой ячейки одной фазы [5]. Например, если ,то на выходе такого МАИН можем получить кривую напряжения, состоящую из 21 уровня (ступеньки). Такое количество уровней в кривой выходного напряжения достигается за счет линейных комбинаций различных напряжений в звеньях постоянного тока. Однако использование таких асимметричных МАИН (АМАИН) сопровождается рядом проблем [6]:

1. Циркуляция энергии между разными АИН одной фазы. Это решается путем выбора соответствующей кратности напряжений, однако такой способ существенно ограничивает возможность увеличение количества уровней выходного напряжения.

2. Асимметрия напряжений в звеньях постоянного тока приводит к неэффективному использованию многофазных схем выпрямления для уменьшения гармоник в входном токе АМАИН.

3. Использование высоковольтных ключей с повышенными коммутационными потерями предполагает минимальное количество их переключений.

Поэтому эффективность использования принципа асимметрии необходимо рассматривать в комплексе с основными проблемами.

Для управления ключами АМАИН используют следующие способы:

- Амплитудное регулирование. В этом случае на выходе инвертора мы получаем как бы квантованную по уровню синусоиду (рис.2). Основным преимуществом такого метода является малая частота коммутаций ключей инвертора. Основным недостатком – высокое содержание высших гармоник в кривой выходного напряжения.

- Метод синусоидальной ШИМ. Здесь различают мультиплексорную ШИМ (рис. 3) и многоуровневую ШИМ (рис. 4) [1].

- Метод векторной ШИМ (рис. 5). Ввиду большого числа обобщенных векторов и достаточно большой сложности, реализуется редко и требует больших вычислительных мощностей процессора.

Рисунок 2 – Принцип амплитудного регулирование ключами АМАИН (анимация: 10 кадров, 3 секунды, объем 113 КБ, количество повторов: 7)

Рисунок 3 – Принцип мультиплексорной ШИМ

Рисунок 4 – Принцип многоуровневой ШИМ

Рисунок 5 – Обобщенные вектора при использовании векторной ШИМ для АМАИН

Возможны также комбинации этих способов управления ключами АМАИН.

3. Разомкнутые системы управления асинхронным двигателем при питании его от НКМПЧ (законы Костенко)

Наиболее простым в реализации законом частотного управления является закон Костенко. Суть такого закона заключается в обеспечении перегрузочной способности двигателя на всем диапазоне изменения частоты постоянной, и равной перегрузочной способности в номинальном режиме на естественной характеристике. Это достигается обеспечением следующего равенства.

, (1)

где Мк и Мс– критический момент и момент сопротивления на искусственной характеристике; Мк.ех и Мн – критический момент на естественной характеристике и номинальный момент двигателя.

При соответствующих преобразованиях можем получить следующее выражение:

, (2)

где – относительное напряжение статора, – относительная частота.

В простейшей разомкнутой системе рис. 6 частота fs и модуль Usm напряжения питания формируется преобразователем частоты на базе АИН в зависимости от значения напряжения задания.

Рисунок 6 – Функциональная схема разомкнутой системы скалярного управления

В функциональном преобразователи (ФП) реализован закон частотного управления. Для вентиляторного характера нагрузки в ФП обеспечивается закон .

Такие системы используются для плавного пуска АД и для регулирования скорости в небольшом диапазоне (до 10:1).

Модель разомкнутой системы скалярного частотного управления АД при питании его от НКМПЧ представлена на рис. 7. Математическое моделирование системы выполнено в пакете Matlab и его приложении Simulink.

Рисунок 7 – Плавный пуск АД при питании его от НКМПЧ с кратность напряжений АИН 1:1:4

В качестве НКМПЧ был взят АМАИН с кратностью напряжений АИН 1:1:4. При этом для обеспечения минимума переключения ключей инвертора с большим напряжением в звене постоянного, для него выбрано амплитудное регулирование. Два других инвертора в фазе отрабатывают ошибку квантования методом мультиплексорной ШИМ как это показано на рисунке 8. Для исключения циркуляции энергии в работе [1,7] был предложен метод предварительной модуляции сигнала задания гармониками кратными трем.

Для сравнения показателей работы несимметричного каскадного многоуровневого преобразователя частоты в работе рассмотрен также «классический» вариант преобразователя частоты на основе АИН с ШИМ. В моделях использован асинхронный двигатель ВРП180М8. Номинальные данные двигателя: Р_ном=15 КВт, U_ном.ф.=220 В, І_ном=34 А, n_ном=722 об/хв, f_ном=50 Гц, =0.76, J=0.325 , , , , R_r=0.28 Ом, R_s=0.45 Ом. Результаты моделирования представлены на рис. 9, 10.

Рисунок 8 – Формирование фазных напряжений МПЧ

Рисунок 9 – Переходные процессы АД при питании его от НКМПЧ

Рисунок 10 – Переходные процессы АД при питании его от ПЧ на основе АИН с ШИМ

Из рис. 9, 10 видно значительное уменьшение пульсаций момента двигателя при питании его от НКМПЧ.

4. Замкнутые системы векторного управления асинхронным двигателем

Если по условиям технологического процесса необходимо добиться высокого диапазона регулирования скорости и большого быстродействия системы электропривода (ЭП)рекомендуется использовать принцип векторного регулирования скорости АД [4]. Векторное управление предполагает обеспечение закона частотного управления не только в установившихся, но и в переходных режимах работы ЭП. Это позволяет обеспечить высокое качество характеристик ЭП как в статике так и в динамике [4].

При векторном управлении АД с короткозамкнутым ротором наиболее распространенным является закон управления .

На рисунке 11 изображена модель электропривода

Рисунок 11 – Модель электропривода с системой векторного управления

Нагрузка в системе ЭП имеет вентиляторный характер.

Сама система управления представлена ниже:

Рисунок 12 – Модель системы векторного управления АД

Как видим из рисунка 12, в качестве системы регулирования взята «классическая» система векторного управления, построенная во вращающейся ортогональной системе координат d, q , ориентированной по потокосцеплению ротора. Система выполнена как двухканальная: канал регулирования потокосцепления ротора и канал регулирования скорости. В каждом канале реализована двухконтурная система подчиненного регулирования. Для получения сигнала обратной связи по потокосцеплению ротора в системе предусмотрен расчет по измеренным значениям тока и скорости.

На рисунке 13, 15 изображены результаты моделирования системы ЭП с НКМПЧ. Для сравнения полученных результатов на рисунке 14 представлены переходные процессы по моменту ЭП при тех же условиях, но при питании АД от ПЧ на основе АИН.

Рисунок 13 – Переходные процессы по моменту двигателя при питании его от НКМПЧ

Рисунок 14 – Переходные процессы по моменту двигателя при питании его от ПЧ на основе АИН

Рисунок 15 – Переходные процессы по скорости и потокосцеплению двигателя

На рис. 16 показаны осцилограммы токов источников постоянного напряжения разных АИН одной фазы НКМПЧ. Результаты свидетельствуют об эффективности предложенного метода исключения циркуляции энергии в одной фазе НКМПЧ

Рисунок 16 – Осцилограммы токов АИН одной фазы НКМПЧ

Выводы

•        Рассмотрены возможности и особенности применения НКМПЧ с кратность напряжений АИН – 1:1:4 в разомкнутых и замкнутых системах управления АД.

•        Проведены исследования пульсаций момента двигателя при питании его от различных преобразователей частоты.

•        Результаты виртуальных экспериментов подтвердили дееспособность предлагаемых решений по реализации систем электропривода.

•        Разработана универсальная математическая модель системы полеориентированного управления. Это позволяет выполнять исследования при использовании в системе электропривода асимметричных МПЧ с другими кратностями напряжения АИН.

В дальнейшем планируется:

•        Исследования НКМПЧ с другими кратностями напряжений АИН (например 1:3:6).

•        Исследования возможности замены в МПЧ источника постоянного тока с минимальным напряжением на конденсатор с предварительным его зарядом. Что позволит уменьшить стоимость силовой схемы ПЧ.

Важное замечание

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список использованной литературы

1. Шавьолкін О.О. Перетворювальна техніка: навчальний посібник/ О.О. Шавьолкін, О.М. Наливайко; за загальною ред. канд. техн. наук, доц. О.О. Шавьолкіна.- Краматорськ: ДДМА, 2008. - 328с.

2. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты/ Р.Т. Шрейнер; под общей ред. док. техн.наук, проф. Р.Т. Шрейнера – Екатеринбург: УРО РАН, 2000. – 654 с.

3. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебное пособие/ Г.Г. Соколовский под общей ред. Г.Г. Соколовского – Москва: Академия – 2006. – 265 с.

4. Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями: учебное пособие/ А.А. Усольцев под общей ред. А.А. Усольцева – Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО – 2006. – 94 с.

5. Шавёлкин А.А. Каскадные многоуровневые преобразователи частоты с улучшенными энергетическими характеристиками/ А.А. Шавёлкин //Наук.-приклад журнал «Технічна електродинаміка» Тем. Силова електроніка і енергоефективність.; - Київ, 2010. – Ч. 1. - С. 65-70

6. Шавёлкин А.А., Возможности улучшения характеристик каскадных многоуровневых преобразователей частоты при использовании принципа асимметрии / А.А. Шавёлкин, Р.В. Уланов Вісник національного технічного університету "ХПІ”. - Харків: НТУ "ХПІ" 2007. - №25, С.122-132.

7. Шавёлкин А.А. Несимметричный гибридный многоуровневый преобразователь частоты на базе трехуровневого инвертора напряжения/А.А. Шавёлкин // Наукові праці ДонНТУ. Серія: “Електротехніка та енергетика”.- Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2009.-вип. 9(158)- С.242-249.